一种基于多级串联抽取滤波器的数据压缩系统及方法与流程

1.本发明涉及信号的采集分析，设备的状态监测领域，尤其是状态评估数据的准备和优化处理。


背景技术：

2.设备的状态监测，数据的采集和分析是基础。滤波器是一种常用的选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大的衰减其他频率成分。根据滤波器的选频功能区分，滤波器可以分为低通，高通，带通，带阻滤波器。根据实现方法来区分，可以分为模拟或数字滤波器，其中数字滤波器按照算法来区分可分为有限冲击响应(fir)滤波器，无限冲击响应(iir)滤波器，梳状(cic)滤波器等。根据数据处理方法来区分，可以分为抽取，插值滤波器。
3.在原有项目中，我们仅使用常用的低通数字的滤波器，其主要作用是抑制带宽外高频信号的干扰。在滤波后，会对信号进行数据的存储。然后对存储数据进行傅里叶变换，特征值计算等采集数据的分析。
4.现有技术中主要存在以下缺陷：常用滤波器没有压缩数据的功能，如果只需分析一个数据通道的某一高频段或低频段信号，可以通过调整输入信号的采样频率，从而调整需要分析的数据量。但是在实际应用中需要同时分析多个通道，不同通道采集的数字信号需要分析的信号频率往往有高有低，或者两者皆有。在设计时为了缩小电路体积，往往使用1颗高采样率的多通道adc来兼顾所有频率信号的分析需求。在分析高频信号时，需要高的采样频率，较短的时间长度；而分析低频信号时需要低的采样频率较长的时间长度；同时兼顾高低频分析时一种采样率会导致待分析数据成倍增长，造成数据存储压力大的同时影响数据实时分析效率。因此，有必要研究一种方案以解决上述问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种基于多级串联抽取滤波器的数据压缩系统及方法，其可在对输入信号进行多个频带的频谱分析的同时，减少使用储存空间的资源。
6.为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
7.一种基于多级串联抽取滤波器的数据压缩系统，包括有通道切换开关、多级抽取滤波器、多级存储开关、抽取滤波器系数存储器或系数生成器以及数据存储器；通道切换开关与多级抽取滤波器第一级相连，多级抽取滤波器内部各级相互串联；抽取滤波器系数存储器或系数生成器连接多级m通道抽取滤波器；多级存储开关一端与多级通道抽取滤波器对应输出端连接，另一端与数据存储器连接。
8.一种基于多级串联抽取滤波器的数据压缩系统的实现方法，采用前述一种基于多级串联抽取滤波器的数据压缩系统，包括有以下步骤：
9.(1)将各通道的输入数据流{b1，b2，
…
，bm}与“通道控制开关”关联；
10.(2)规划多级串联抽取滤波器的级数n，并由下式确定每级的抽取率{d1，d2，
…
，dn}
(d
*
为正整数)，生成压缩率列表，其中dj与压缩率pj满足：
[0011][0012]
(3)根据步骤(2)抽取率{d1，d2…dn
}，由“抽取滤波器系数存储器/系数生成器”生成或者读取抽取滤波器系数，并配置至多级串联抽取滤波器对应滤波级；
[0013]
(4)将第i级各个通道输出开关参量表{k
i1
，k
i2
…kim
}与第i级存储开关关联，确定第i级抽取滤波器各个通道的输出是否在“数据存储器”中进行存储；
[0014]
(5)重复步骤(4)完成所有多级抽取滤波器，存储开关和数据存储器的关联设置。
[0015]
一种基于多级串联抽取滤波器的数据压缩方法，采用前述一种基于多级串联抽取滤波器的数据压缩系统，并采用前述一种基于多级串联抽取滤波器的数据压缩系统的实现方法，其运行的步骤为：
[0016]
(1)开启一种基于多级串联抽取滤波器的数据压缩系统，第1通道的数据流通过“通道切换开关”进入“第1级m通道抽取滤波器”后，通道切换开关自动切换至下一个通道，重复上述步骤；待所有m个通道的数据流都进入到“第1级m通道抽取滤波器”后，“通道切换开关”重新切换至第1通道，开始下一轮循环；
[0017]
(2)经由前述步骤(3)中配置的n个抽取滤波器，在收到来自步骤(1)的输入数据后，每一级m通道抽取滤波器经过数据压缩处理后，输出的数据输入到下一级抽取滤波器中继续进行数据压缩处理，直至第n级抽取滤波器结束；
[0018]
(3)“存储开关”在经过前述步骤(4)的配置后，由步骤(2)中抽取滤波器输出的数据进入“存储开关”，经由“存储开关”判断，决定该通道的数据流是否存入“数据存储器”。
[0019]
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：
[0020]
通过使用多级m通道抽取滤波器依次串联连接，对输入信号进行滤波的同时，逐级进行数据的抽取，压缩输出的数据量，每一级输出的不同频率的数据，用于在不同的频段内进行频谱分析，达到减少储存空间的目的的同时，兼顾输入信号在不同频段下的数据分析。
[0021]
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明：
附图说明
[0022]
图1是本发明之较佳实施例的系统结构；
[0023]
图2是本发明之较佳实施例的具体系统结构；
[0024]
图3是本发明之较佳实施例中输入信号为1hz(峰峰2v)与128hz(峰峰值1v)叠加在一起的正弦波信号示意图；
[0025]
图4是对比方案的原理示意图；
[0026]
图5是对比方案的频率分析曲线图；
[0027]
图6是本发明之较佳实施例的原理示意图；
[0028]
图7是本发明之较佳实施例的频率分析曲线图。
[0029]
附图标识说明：
[0030]
10、通道切换开关
ꢀꢀꢀꢀꢀ
20、m通道抽取滤波器
[0031]
30、存储开关
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
40、抽取滤波器系数存储器/系数生成器
[0032]
50、数据存储器
具体实施方式
[0033]
请参照图1所示，其显示出了本发明之较佳实施例一种基于多级串联抽取滤波器的数据压缩系统的具体结构，包括有一个通道切换开关10、一个多级抽取滤波器20、一个多级存储开关30、一个抽取滤波器系数存储器或系数生成器40以及一个数据存储器50。
[0034]
该多级抽取滤波器20依次串联连接，其中第1级m通道抽取滤波器与通道切换开关串联连接；该通道切换开关10用于将总共m个通道的采样数据逐个串行输入到第1级m通道抽取滤波器20。该m通道抽取滤波器20主要有3个作用：
①
低通滤波，衰减输入信号的高频噪声；
②
滤除奈奎斯特频率以上的频率分量，以防止由于数字抽取产生的混叠失真；
③
进行抽取，减小输出数据传输速率。
[0035]
该多级存储开关30分别与多级m通道抽取滤波器20的输出端连接，该存储开关30的作用是阻止不进行存储的通道的数据流通过，只对部分通道的数据进行存储。
[0036]
该抽取滤波器系数存储器/系数生成器40连接多级m通道抽取滤波器20，抽取滤波器系数生成器用于使用者在定下滤波策略后，通过公式计算得到每一级m通道抽取滤波器20需要使用的滤波器系数并下发，也可以将所有可能会使用的系数预先在外部生成好后存放在存储器中，使用者在定下滤波策略后，将需要使用的系数下发到各级m通道抽取滤波器20。
[0037]
该数据存储器50连接多级存储开关30，该数据存储器50用于存储最终经过滤波的所有数据结果。
[0038]
本发明还公开了一种基于多级串联抽取滤波器的数据压缩系统的实现方法，采用前述一种基于多级串联抽取滤波器的数据压缩系统，包括有以下步骤：
[0039]
(1)将各通道的输入数据流{b1，b2，
…
，bm}与“通道控制开关”关联；
[0040]
(2)规划多级串联抽取滤波器的级数n，并由下式确定每级的抽取率{d1，d2，
…
，dn}(d
*
为正整数)，生成压缩率列表，其中dj与压缩率pj满足：
[0041][0042]
(3)根据步骤(2)抽取率{d1，d2…dn
}，由“抽取滤波器系数存储器/系数生成器”生成或者读取抽取滤波器系数，并配置至多级串联抽取滤波器对应滤波级；
[0043]
(4)将第i级各个通道输出开关参量表{k
i1
，k
i2
…kim
}与第i级存储开关关联，确定第i级抽取滤波器各个通道的输出是否在“数据存储器”中进行存储；
[0044]
(5)重复步骤(4)完成所有多级抽取滤波器，存储开关和数据存储器的关联设置。
[0045]
本发明还公开了一种基于多级串联抽取滤波器的数据压缩方法，采用前述一种基于多级串联抽取滤波器的数据压缩系统，并采用前述一种基于多级串联抽取滤波器的数据
压缩系统的实现方法，其运行的步骤为：
[0046]
(1)开启一种基于多级串联抽取滤波器的数据压缩系统，第1通道的数据流通过“通道切换开关”进入“第1级m通道抽取滤波器”后，通道切换开关自动切换至下一个通道，重复上述步骤；待所有m个通道的数据流都进入到“第1级m通道抽取滤波器”后，“通道切换开关”重新切换至第1通道，开始下一轮循环；
[0047]
(2)经由前述步骤(3)中配置的n个抽取滤波器，在收到来自步骤(1)的输入数据后，每一级m通道抽取滤波器经过数据压缩处理后，输出的数据输入到下一级抽取滤波器中继续进行数据压缩处理，直至第n级抽取滤波器结束；
[0048]
(3)“存储开关”在经过前述步骤(4)的配置后，由步骤(2)中抽取滤波器输出的数据进入“存储开关”，经由“存储开关”判断，决定该通道的数据流是否存入“数据存储器”。
[0049]
如图2所示，以2级10通道抽取滤波器为例进行说明，每级抽取滤波器都按照抽取率10进行数据压缩。
[0050]
使用了一个10通道的adc，每个通道的adc产生的数据量为1mbps,总共10mbps的数据，在通过通道切换开关10切换后，按顺序串行输入到各个抽取滤波器中，如果按照传统的滤波器结构，需要每秒存储10mbytes的滤波后数据。按照图中举例的2级串联的抽取滤波器，第1通道需要存储的每秒数据量为0.1mb+0.01mb，其余通道为0.01mb，10个通道总数据量降为每秒0.2mb。
[0051]
在存储数据后，在后续进行频率分析，做fft(快速傅里叶变换)的计算时，传统结构不仅是需要读出的数据量更多，需要的计算量更是成倍增长，远高于多级抽取的结构。所以该结构能达到减少储存空间，进一步节省计算资源的目的。
[0052]
本实施例为实际应用中进行频谱分析时需要的存储资源的对比。
[0053]
实验条件：输入信号为1hz(峰峰2v)与128hz(峰峰值1v)叠加在一起的正弦波信号，使用一个2.048khz采样频率的adc对其进行采样，产生2秒钟的数据流如图3所示，其中纵坐标为信号幅度值，横坐标为采样点个数如下图所示。使用两种方案对该输入信号进行频率分析，需得到该信号为由两种频率组成的结果，并评估所需要的存储资源。
[0054]
方案一：此为对比方案，如图4和图5所示，未使用本发明中的抽取滤波器，作为与本发明的对比。在原有方案中，因为没有噪声和杂波，ad采样输出的信号，经过滤波后，输出信号的值维持不变，将2秒产生的4096个点的数据存储到存储器后，再读取做傅里叶变换进行频谱分析，可分析得到该输入信号是由1hz和128hz两个频率组成。在该方案中使用了4096个存储器来存储数据。
[0055]
方案二：此为使用了本发明的方案，如图6和图7所示，由两个级联的抽取滤波器组成，第一级抽取率为2，第二级抽取率为16。经过第一级10通道抽取滤波器后，2.048khz的ad输出数据，降低成了1.024khz速率的数据流输出，只需存储128个连续的数据到存储器，经过傅里叶变换可以识别到输入信号中128hz的频率分量。1.024khz速率的数据流输入到抽取滤波器2后，数据流速率降为64hz，只需存储64个连续的数据到存储器，经过傅里叶变换后，可以识别到输入信号中的1hz的频率分量。这个方案中总共使用了192个存储器，比方案1大幅度减少存储器的使用量。
[0056]
本发明的设计重点是：通过使用多级m通道抽取滤波器依次串联连接，对输入信号进行滤波的同时，逐级进行数据的抽取，压缩输出的数据量，每一级输出的不同频率的数
据，用于在不同的频段内进行频谱分析，达到减少储存空间的目的的同时，兼顾输入信号在不同频段下的数据分析。
[0057]
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。